CA2673442A1 - Lame de guidage de masse d'epreuve et systeme electromecanique micro-usine comportant une telle lame - Google Patents
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Abstract
Le domaine de l'invention est celui des systèmes électromécaniques micro- usinés comportant une masse d'épreuve susceptible de se déplacer. L'inventio n concerne plus particulièrement, une lame de guidage d'une masse d'épreuve mobile d'un système électromécanique monolithique micro-usiné dans une plaqu e d'épaisseur h formant un plan O,x,y, le système électromécanique comportan t une base et au moins une cellule de mesure comprenant la masse d'épreuve r eliée à la base par la lame de guidage et susceptible de se déplacer en tran slation suivant un axe Oy, ladite lame étant disposée suivant un axe Ox et r eliée à une partie fixée à la base, ladite lame limitant un mouvement de la masse d'épreuve (1) suivant l'axe Ox, caractérisé en ce que ladite lame est monolithique et en ce qu'elle est composée par une succession : d'un premier tronçon charnière, de forme parallélépipédique qui possède une épaisseur su ivant l'axe Oz égale à h, une longueur suivant l'axe Ox égale à I1 et une la rgeur suivant l'axe Oy égale à L; d'un tronçon central de forme sensiblement parallélépipédique qui possède une épaisseur suivant l'axe Oz égale à h, un e longueur suivant l'axe Ox égale à lt, et une largeur suivant l'axe Oy égal e à Lt; d'un deuxième tronçon charnière de forme sensiblement parallélépipéd ique qui possède une épaisseur suivant l'axe Ozégale à h, une longueur suiva nt l'axe Ox égale à I2, et une largeur suivant l'axe Oy égale à L.
Description
Lame de guidage de masse d'épreuve et système électromécanique micro-usiné comportant une telle lame Le domaine de l'invention est celui des systèmes électromécaniques micro-usinés comportant une masse d'épreuve susceptible de se déplacer.
L'invention concerne plus particulièrement une lame de guidage d'un tel système électromécanique, confinant un mouvement de la masse d'épreuve suivant une direction appelée aussi axe sensible du système électromécanique.
L'invention a également pour objet des systèmes électromécaniques micro-usinés dans une plaque plane comprenant une 1o base et au moins une cellule de mesure, qui comprend au moins une masse d'épreuve et au moins une lame de guidage reliant la masse d'épreuve et une partie fixée à la base et agissant sur le mouvement de la masse d'épreuve. Le fonctionnement de ces systèmes est fondé en général sur une mesure d'une force d'inertie.
Des systèmes électromécaniques monolithiques plats, par exemple des accéléromètres micro-usinés dans une plaque de silicium, comportent classiquement un corps ayant une base et une cellule de mesure et parfois deux cellules de mesure en vue de la mise en oeuvre d'un procédé
différentiel. Une cellule de mesure comprend typiquement une masse d'épreuve reliée d'une part à la base et d'autre part à un capteur de force, lui-même également relié à la base. Lorsque le système est soumis à une accélération suivant l'axe sensible qui est la direction de l'accélération à
mesurer, la masse d'épreuve est soumise à une force d'inertie qui est transmise au capteur de force par des moyens permettant éventuellement d'amplifier la force transmise.
Dans la demande de brevet FR 02 15599, on décrit un accéléromètre dont les moyens de mesure comportent un résonateur qui peut être une poutre vibrante.
Dans la suite, on va prendre comme exemple de résonateur deux poutres formant diapason, que l'on fait vibrer en opposition de phase au moyen de deux électrodes. C'est cette configuration en diapason qui est
L'invention concerne plus particulièrement une lame de guidage d'un tel système électromécanique, confinant un mouvement de la masse d'épreuve suivant une direction appelée aussi axe sensible du système électromécanique.
L'invention a également pour objet des systèmes électromécaniques micro-usinés dans une plaque plane comprenant une 1o base et au moins une cellule de mesure, qui comprend au moins une masse d'épreuve et au moins une lame de guidage reliant la masse d'épreuve et une partie fixée à la base et agissant sur le mouvement de la masse d'épreuve. Le fonctionnement de ces systèmes est fondé en général sur une mesure d'une force d'inertie.
Des systèmes électromécaniques monolithiques plats, par exemple des accéléromètres micro-usinés dans une plaque de silicium, comportent classiquement un corps ayant une base et une cellule de mesure et parfois deux cellules de mesure en vue de la mise en oeuvre d'un procédé
différentiel. Une cellule de mesure comprend typiquement une masse d'épreuve reliée d'une part à la base et d'autre part à un capteur de force, lui-même également relié à la base. Lorsque le système est soumis à une accélération suivant l'axe sensible qui est la direction de l'accélération à
mesurer, la masse d'épreuve est soumise à une force d'inertie qui est transmise au capteur de force par des moyens permettant éventuellement d'amplifier la force transmise.
Dans la demande de brevet FR 02 15599, on décrit un accéléromètre dont les moyens de mesure comportent un résonateur qui peut être une poutre vibrante.
Dans la suite, on va prendre comme exemple de résonateur deux poutres formant diapason, que l'on fait vibrer en opposition de phase au moyen de deux électrodes. C'est cette configuration en diapason qui est
2 représentée sur la figure 1. On pourrait tout aussi bien utiliser comme moyen de mesure d'autres structures de résonateur ou une balance de forces. Un accéléromètre à poutres vibrantes comporte de préférence deux cellules de mesures qui peuvent être réalisées par micro-usinage d'un substrat de silicium sur isolant (SOI) ou de quartz ou d'un autre matériau, mais d'autres méthodes sont également possibles.
Un substrat de silicium sur isolant est constitué d'une plaque de silicium éventuellement monocristallin de quelques centaines de micromètres d'épaisseur (450 micromètres par exemple) constituant la base de 1o l'accéléromètre, qui porte sur sa face avant une fine couche d'oxyde de silicium de quelques micromètres d'épaisseur (2 micromètres par exemple) elle-même recouverte d'une couche de silicium de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur (60 micromètres par exemple), le silicium pouvant être lui aussi éventuellement monocristallin.
L'usinage consiste à attaquer les couches de silicium par leur face externe en direction de la couche d'oxyde, avec un procédé de gravure sélectif qui attaque le silicium sans attaquer significativement l'oxyde. On interrompt la gravure lorsque la couche d'oxyde est mise à nu. Cette couche d'oxyde peut elle-même être enlevée localement par attaque sélective par un 2o autre procédé de manière à conserver une liaison entre les deux couches de silicium uniquement en quelques endroits choisis, et obtenir ainsi la structure plane mobile désirée.
Par la suite on utilisera un repère O,x,y,z. Le plan de la figure 1 est le plan O,x,y, l'axe Oz représentant la direction perpendiculaire à ce plan.
On désigne par axe Ox (respectivement Oy, Oz) un axe parallèle à l'axe Ox (respectivement Oy, Oz) représenté sur la figure.
La structure plane mobile 10 d'une cellule de mesure de l'accéléromètre, schématiquement représentée figure 1, comporte une masse d'épreuve 1 mobile susceptible de se déplacer en translation selon l'axe sensible de l'accéléromètre désigné axe Oy, qui est parallèle à
l'accélération y à mesurer, et des moyens d'amplification 2 de la force limitant cette translation. Cette force est mesurée au moyen de deux poutres vibrantes 30 placées selon un axe Ox perpendiculaire à l'axe Oy, qui subissent une traction ou une compression selon le sens de l'accélération.
Les poutres sont disposées symétriquement par rapport à un axe de
Un substrat de silicium sur isolant est constitué d'une plaque de silicium éventuellement monocristallin de quelques centaines de micromètres d'épaisseur (450 micromètres par exemple) constituant la base de 1o l'accéléromètre, qui porte sur sa face avant une fine couche d'oxyde de silicium de quelques micromètres d'épaisseur (2 micromètres par exemple) elle-même recouverte d'une couche de silicium de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur (60 micromètres par exemple), le silicium pouvant être lui aussi éventuellement monocristallin.
L'usinage consiste à attaquer les couches de silicium par leur face externe en direction de la couche d'oxyde, avec un procédé de gravure sélectif qui attaque le silicium sans attaquer significativement l'oxyde. On interrompt la gravure lorsque la couche d'oxyde est mise à nu. Cette couche d'oxyde peut elle-même être enlevée localement par attaque sélective par un 2o autre procédé de manière à conserver une liaison entre les deux couches de silicium uniquement en quelques endroits choisis, et obtenir ainsi la structure plane mobile désirée.
Par la suite on utilisera un repère O,x,y,z. Le plan de la figure 1 est le plan O,x,y, l'axe Oz représentant la direction perpendiculaire à ce plan.
On désigne par axe Ox (respectivement Oy, Oz) un axe parallèle à l'axe Ox (respectivement Oy, Oz) représenté sur la figure.
La structure plane mobile 10 d'une cellule de mesure de l'accéléromètre, schématiquement représentée figure 1, comporte une masse d'épreuve 1 mobile susceptible de se déplacer en translation selon l'axe sensible de l'accéléromètre désigné axe Oy, qui est parallèle à
l'accélération y à mesurer, et des moyens d'amplification 2 de la force limitant cette translation. Cette force est mesurée au moyen de deux poutres vibrantes 30 placées selon un axe Ox perpendiculaire à l'axe Oy, qui subissent une traction ou une compression selon le sens de l'accélération.
Les poutres sont disposées symétriquement par rapport à un axe de
3 symétrie S de la structure, cet axe de symétrie étant parallèle à l'axe Oy et passant par le centre de gravité de la masse.
Les poutres vibrantes 30 sont encastrées à chaque extrémité dans une terminaison 4 rigide. Chacune de ces terminaisons 4 comporte une paire de bras micro-usinés. Les deux paires sont symétriques par rapport à l'axe de symétrie S. Un premier bras 5 micro-usiné relie la terminaison 4 à la masse d'épreuve 1. Un deuxième bras 6 micro-usiné, symétrique du premier bras par rapport à l'axe de la poutre, relie la terminaison 4 à un pied d'ancrage 7 fixé à la base. Ces bras 5 et 6 sont respectivement reliés à la 1 o masse d'épreuve, à la terminaison 4 et au pied d'ancrage 7, par des points d'attache. L'épaisseur d'un bras 5 ou 6 peut varier sur sa longueur.
On a également schématiquement représenté figure 1 un zoom sur une partie des moyens d'amplification. Le premier bras 5 est articulé sur la terminaison 4 par un point d'attache A. On a également représenté une partie d'électrode E. Les deux poutres vibrantes 30 sont encastrées dans la terminaison 4 dans la mesure où elles sont formées par gravure par exemple de la même couche de matière. Les hachures représentent la matière, du silicium monocristallin par exemple dans le cas d'une cellule réalisée par usinage d'un SOI. Comme indiqué précédemment, les motifs de surface tels 2o que les bras 5, point d'attache A, terminaison 4, poutres 30 et électrode E
ont été obtenus par gravure du silicium monocristallin, puis par attaque de la couche d'oxyde.
L'angle a formé par l'axe Ox et la ligne joignant les points d'attache A et B du premier bras 5 qui, en raison de la symétrie des bras 5 et 6 par rapport à l'axe reliant les terminaisons par leur milieu, est symétrique de l'angle formé par l'axe Ox et la ligne joignant les points d'attache du deuxième bras 6. Cet angle a est relativement faible et la force exercée en traction ou en compression sur les poutres 30 est supérieure à la force d'inertie générée par la masse d'épreuve 1 en présence d'une accélération sensible dirigée selon l'axe Oy.
Ces moyens d'amplification 2 permettent en outre de libérer de l'espace autour des poutres vibrantes 30, notamment pour placer les électrodes dans le cas d'une excitation électrostatique. On rappelle que les poutres vibrantes sont mises en vibration à leur fréquence de résonance à
l'aide d'électrodes disposées en regard de ces poutres, ou directement sur
Les poutres vibrantes 30 sont encastrées à chaque extrémité dans une terminaison 4 rigide. Chacune de ces terminaisons 4 comporte une paire de bras micro-usinés. Les deux paires sont symétriques par rapport à l'axe de symétrie S. Un premier bras 5 micro-usiné relie la terminaison 4 à la masse d'épreuve 1. Un deuxième bras 6 micro-usiné, symétrique du premier bras par rapport à l'axe de la poutre, relie la terminaison 4 à un pied d'ancrage 7 fixé à la base. Ces bras 5 et 6 sont respectivement reliés à la 1 o masse d'épreuve, à la terminaison 4 et au pied d'ancrage 7, par des points d'attache. L'épaisseur d'un bras 5 ou 6 peut varier sur sa longueur.
On a également schématiquement représenté figure 1 un zoom sur une partie des moyens d'amplification. Le premier bras 5 est articulé sur la terminaison 4 par un point d'attache A. On a également représenté une partie d'électrode E. Les deux poutres vibrantes 30 sont encastrées dans la terminaison 4 dans la mesure où elles sont formées par gravure par exemple de la même couche de matière. Les hachures représentent la matière, du silicium monocristallin par exemple dans le cas d'une cellule réalisée par usinage d'un SOI. Comme indiqué précédemment, les motifs de surface tels 2o que les bras 5, point d'attache A, terminaison 4, poutres 30 et électrode E
ont été obtenus par gravure du silicium monocristallin, puis par attaque de la couche d'oxyde.
L'angle a formé par l'axe Ox et la ligne joignant les points d'attache A et B du premier bras 5 qui, en raison de la symétrie des bras 5 et 6 par rapport à l'axe reliant les terminaisons par leur milieu, est symétrique de l'angle formé par l'axe Ox et la ligne joignant les points d'attache du deuxième bras 6. Cet angle a est relativement faible et la force exercée en traction ou en compression sur les poutres 30 est supérieure à la force d'inertie générée par la masse d'épreuve 1 en présence d'une accélération sensible dirigée selon l'axe Oy.
Ces moyens d'amplification 2 permettent en outre de libérer de l'espace autour des poutres vibrantes 30, notamment pour placer les électrodes dans le cas d'une excitation électrostatique. On rappelle que les poutres vibrantes sont mises en vibration à leur fréquence de résonance à
l'aide d'électrodes disposées en regard de ces poutres, ou directement sur
4 les poutres, suivant qu'il s'agit d'une excitation électrostatique ou piézo-électrique.
La masse d'épreuve 1 est partiellement guidée en translation selon l'axe Oy par la symétrie de la structure. Pour ne conserver uniquement un degré de liberté de translation suivant l'axe Oy, on peut éventuellement limiter les translations de la masse d'épreuve selon Ox et Oz ainsi que des rotations en employant une ou des lames de guidage 8 orientées suivant l'axe Ox. Une première extrémité de cette lame 8, est fixée à la masse d'épreuve 1, une deuxième extrémité de cette lame 8, est fixée à une partie 1o 9, fixée à la base. Classiquement, les lames de guidage 8, ont une forme d'un parallélépipède rectangle dont le plus grand de coté est placé suivant l'axe Ox.
La figure 2 représente, en vue de dessus, c'est à dire suivant une projection dans le plan O,x,y, une lame de guidage 8 selon l'art antérieur d'un système électromécanique plat micro-usiné dans une plaque de silicium monocristallin d'épaisseur constante h. La lame de guidage 8 comporte deux ancrages et un tronçon : un premier ancrage est intégré à la masse d'épreuve 1, un deuxième ancrage est intégré à la base.
On l'a dit plus haut, le tronçon d'une lame de guidage de l'art antérieur a une forme de parallélépipède rectangle. Le parallélépipède formé
par le tronçon de la lame 8 possède une épaisseur suivant l'axe Oz égale à
l'épaisseur du substrat dans lequel le système électromécanique est usiné
par exemple h est égal à 60 micromètres.
Le parallélépipède possède également une longueur, suivant l'axe Ox, égale à 11, par exemple 11 est de l'ordre de 700 micromètres, et une largeur suivant l'axe Oy égale à L, par exemple L est proche de 5 micromètres.
Il est nécessaire que la largeur L soit très réduite afin de présenter une très faible résistance à un mouvement de la masse d'épreuve 1 dans la direction Oy. On donne en général à la largeur L une valeur qui est le minimum atteignable avec les technologies disponibles d'usinage du substrat.
Les dimensions de la lame de guidage 8 lui confèrent une valeur de coefficient de raideur suivant l'axe Oy, ky, extrêmement faible, 0141454501 -ru~..çS PI
PCT/EP 2007/063 2( ~
typiquement inférieure de deux ordres de grandeur à la raideur suivant l'axe Oy du dispositif de mesure de la force d'inertie. Revers de la médaille, une poutre de guidage qui a une telle géométrie possède une charge critique de flambage très faible selon l'axe Ox, correspandant typiquement à une .5 accélération de l'ordre de 1é00 g suivant l'axe OX, c'est à dire égale à
mitie fois l'accélération de la pesanteur à la surface terrestre. Ceci interdit donc I'emploi d'une telle lame de'guidage dans un système électromécanique micro-usiné qui serait soumis à des accélérations de l'ordre de 20000 g suivant l'axe Ox car dans ce cas un phénomène de flambage prendrait io naissance, et la Iame` de . guidage serait très fortement déformée et seion toute vraisemblance endommagée.
Pour. résister à une telle accélération suivant l'axe Ox; il serait nécessaire que. la largeur L de la.lame suivant Oy ait une valeur élevée, par exempEe supérieure à 50 micromètres pour une longueur suivant i'axe Ox 15 inchartgée afin de présenter una charge critique de flambage élevée suivant l'axe Ox, ce qui est incompatibie avec une raideur faible suivant:l'axe Oy:.
La lame de gùidage selân l'art antérieur; par exemple lorsqu'elle a une forme sensiblement paraliélépipédlque. a une forme qui. la rend 2o inadaptée à un fonctionnement sous une accélération de valeur très élevée suivant. l'àxe Ox:
Le, but' ' de i`invention est de palliet cet inconvénient: Plus précisément l'invention a . pour objet une lame de guidage, d'une masse, 25 d'épreuve mobile d'un système électromécanique micro=usiné dans une .
plaque d'épaisseur h formant un plan O;x;y, le système électromécanique comportant une base. et au moins une. cellule de mesuré comprenant la masse d'épreuve/'&tN"reliée à la base par au moins une lame de guidageet susceptible de se déplacer en translation suivant un axe Oy, ladite lame ~
30 étant disposée suivant un axe Ox et. reliée à une partie X fixée à la base,.
ladite lameX limitant un môuvement de la masse d'épreuve X suivant l'axe Ox, M étant un point positionné sur la lame un axe Oz étant normal au plan O,x,yet passant par la position du point M, un plan M,y,z étant un plan normal à('axe Ox et passant la position du point M, ladite lame gétant 35 monolithique et possédant une longûeur totale suivant l'axe Ox égale à LL, FEUILLE MODIFIÉE.
ed at the EPO on JuI 18, 200814:03:32. Page 8 of 15 .~. .
Tr..ar..Ç ._.::n;w,.r..r.:::. rF3>~<?;~:2=.
.
PCT J EP 2 00 7/ 063 2 f ~
une zone centrale de la lame étant définie par une longueur supérieure ou égale à 15% de la longueur totale LL dentrée autour d'un centre géométrique C de la (ame , caractérisé en ce qu'une section SM de la lame )(suivant le plan M,y,z p4ssède une inertie par rapport à l'axe Oz qui a une valeur variable en fonction de la position M et en ce que, pour des points M
positionnés dans la zone centrale de la lame X la section SM possède une inertie par rapport à l'axe Oz qui a une valeur supérieure à une moyenne des inerties par rapport à I'axe Oz des sections SM de la lamex pour tous les points appartenant à la lame .
t D Selon une variante de l'invention, la lame de guidage est: composée par une succession d'un . premier tronçorr charnière, de forme sensiblement parafiéfépipéciitiue qui possède une épaisseur suivant l'axè Oz égale à h, une longueur suivant l'axe Ox égale à l, et une largeur suivant l'axe Oy égale a:L;
~ d'un. tronçon centrat qui possède une épaisseur suivant i'axe Oz.
égale à h, une longueur suivant l'axe Ox égals à, it, ét une largeur suivant l'axe' 4y égale à Lt;
-, d'uo deuxième tronçon., 'charnière de forme. sensiblement 2o pârallétépipëdique qui, possède une. épaisseur suivanfi l'axe Oz, égale à
h, une, longueur suivant l'axé Ox égale à.l2, et une- largeur sûivant- l'axe Oy égale à L.
Selon une variante de l'invention, le râppôm entre la largeur.,Lx dû
tronçon central suivant l'axe Oy et la largeur L du premier tronçon charnièré, et/ou celle du deuxième tronçon charnière est d'au moins 5ï .
Selon une variante de l'invention, la. largeur.L, est de l'ordre dé. 40 ..microns, la iargeur L étant de l'ordre de 5. microns.
Selon une variarite .de l'jnvention, il existe environ un ordre de grandeur entre la somme des fongueurs des tronçons et la. longueur des 30 premier et second tronçons charnière.
Selon une variante de.l'invéntion, la longueur des premier et second tronçons est de l'ordre de 80 microns, la somme des longueurs des tronçons étant de l'ordre de 1000 microns.
FEUILLE MODIFIÉE .
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;:::a:.:Fa 0141484501 S PI
PCT/EP 2007/063 2Ã~.~~~07~~b`~
Un prémier avantage de la tame de guidage selon l'invenlion tient en ce qu'eNe supporte sans flamber une accélération suivant. l'axe pouvant dépasser 20000 g.
s Un deuxième avantage de la lame de guidage selon l'invention tient dans ce qu'elle comporte des tronçons, charnières qui ont une largeur minimale atteignable avec les technologies d'usinage actuelle et en ce qu'elle possède une longueur totale qui est supérieure à la longueur maximate que ces technologies d'usinage autorisent avec cette largeur tA minimale. Ainsi, paûr une longueur totale de lame égale à celle d'une lame de l'art antérieur, une Eame selon l'invention supporte; sans flamber, une accélération suivant l'axe Ox, qui est supérieure d'un rapport de f'ordre de quinze à celle supportée par une lame. l'art antérieur au. prix d'un surcroît de rappel élastique toujours suivant l'axe Oy qui; reste limité à moins de deux 15 fois celui d'une lame de l'art antérieur de même longueur totale.
Un troisième avantage de la lame de guidage selon l'invention permet d'étiminer, le surcroît. de . rappel élastiqué lorsque l'encombrernent dévolu à la lame Ie. permet, én effet la valeur d'un coefficient dè -raideur suivant f`axe Oy ky d'une {a.me se(on l'invention est réduite par allongement la.
2o lame. Par exemple, la valeur d'un coefficient dé raideur suivant l'axe (7y:
k,, d'une fame selon I'invention' ayant une tongueur de l'ordre, de 1000-micrdrnétres; comportent des trcinçons chamiëres de ldngueur de l'ordre de 80 micromètres est du m.ême ordre de grandeur que, celle d'une lame de l'art antérieur de longueur 700 micromètres:
25L'invention concerné, également un système étectromécan'rque micrô-usiné dans une plaque d'épaisseur h formant un plan O,x,y, fe système électromécanique comportant. une basé et au moins une cellule de mesure comprenant une masse d'épréûve)Mreliée à fa t7ase par au moins une lame de guidageXde la masse d'épréuve*selon l'invention, caractérisé en ce 3o que le système est monolithique.
D'autres caractéristiques ét avantages de l'invention apparaitront à la lecture de !ai description détailEée. qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
FEUILLE MODIFIÉE
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PCT/EP 2007J063 2ffl1'3Q~~Q~.~:'1 la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une structure de cellule de mesure d'un accéléromètre, dans laquelle la masse d'épreuve est relié à une base par deux lames de guidage ;
la figure 2, déjà décrite, représente une vue de dessus d'une lame.
La masse d'épreuve 1 est partiellement guidée en translation selon l'axe Oy par la symétrie de la structure. Pour ne conserver uniquement un degré de liberté de translation suivant l'axe Oy, on peut éventuellement limiter les translations de la masse d'épreuve selon Ox et Oz ainsi que des rotations en employant une ou des lames de guidage 8 orientées suivant l'axe Ox. Une première extrémité de cette lame 8, est fixée à la masse d'épreuve 1, une deuxième extrémité de cette lame 8, est fixée à une partie 1o 9, fixée à la base. Classiquement, les lames de guidage 8, ont une forme d'un parallélépipède rectangle dont le plus grand de coté est placé suivant l'axe Ox.
La figure 2 représente, en vue de dessus, c'est à dire suivant une projection dans le plan O,x,y, une lame de guidage 8 selon l'art antérieur d'un système électromécanique plat micro-usiné dans une plaque de silicium monocristallin d'épaisseur constante h. La lame de guidage 8 comporte deux ancrages et un tronçon : un premier ancrage est intégré à la masse d'épreuve 1, un deuxième ancrage est intégré à la base.
On l'a dit plus haut, le tronçon d'une lame de guidage de l'art antérieur a une forme de parallélépipède rectangle. Le parallélépipède formé
par le tronçon de la lame 8 possède une épaisseur suivant l'axe Oz égale à
l'épaisseur du substrat dans lequel le système électromécanique est usiné
par exemple h est égal à 60 micromètres.
Le parallélépipède possède également une longueur, suivant l'axe Ox, égale à 11, par exemple 11 est de l'ordre de 700 micromètres, et une largeur suivant l'axe Oy égale à L, par exemple L est proche de 5 micromètres.
Il est nécessaire que la largeur L soit très réduite afin de présenter une très faible résistance à un mouvement de la masse d'épreuve 1 dans la direction Oy. On donne en général à la largeur L une valeur qui est le minimum atteignable avec les technologies disponibles d'usinage du substrat.
Les dimensions de la lame de guidage 8 lui confèrent une valeur de coefficient de raideur suivant l'axe Oy, ky, extrêmement faible, 0141454501 -ru~..çS PI
PCT/EP 2007/063 2( ~
typiquement inférieure de deux ordres de grandeur à la raideur suivant l'axe Oy du dispositif de mesure de la force d'inertie. Revers de la médaille, une poutre de guidage qui a une telle géométrie possède une charge critique de flambage très faible selon l'axe Ox, correspandant typiquement à une .5 accélération de l'ordre de 1é00 g suivant l'axe OX, c'est à dire égale à
mitie fois l'accélération de la pesanteur à la surface terrestre. Ceci interdit donc I'emploi d'une telle lame de'guidage dans un système électromécanique micro-usiné qui serait soumis à des accélérations de l'ordre de 20000 g suivant l'axe Ox car dans ce cas un phénomène de flambage prendrait io naissance, et la Iame` de . guidage serait très fortement déformée et seion toute vraisemblance endommagée.
Pour. résister à une telle accélération suivant l'axe Ox; il serait nécessaire que. la largeur L de la.lame suivant Oy ait une valeur élevée, par exempEe supérieure à 50 micromètres pour une longueur suivant i'axe Ox 15 inchartgée afin de présenter una charge critique de flambage élevée suivant l'axe Ox, ce qui est incompatibie avec une raideur faible suivant:l'axe Oy:.
La lame de gùidage selân l'art antérieur; par exemple lorsqu'elle a une forme sensiblement paraliélépipédlque. a une forme qui. la rend 2o inadaptée à un fonctionnement sous une accélération de valeur très élevée suivant. l'àxe Ox:
Le, but' ' de i`invention est de palliet cet inconvénient: Plus précisément l'invention a . pour objet une lame de guidage, d'une masse, 25 d'épreuve mobile d'un système électromécanique micro=usiné dans une .
plaque d'épaisseur h formant un plan O;x;y, le système électromécanique comportant une base. et au moins une. cellule de mesuré comprenant la masse d'épreuve/'&tN"reliée à la base par au moins une lame de guidageet susceptible de se déplacer en translation suivant un axe Oy, ladite lame ~
30 étant disposée suivant un axe Ox et. reliée à une partie X fixée à la base,.
ladite lameX limitant un môuvement de la masse d'épreuve X suivant l'axe Ox, M étant un point positionné sur la lame un axe Oz étant normal au plan O,x,yet passant par la position du point M, un plan M,y,z étant un plan normal à('axe Ox et passant la position du point M, ladite lame gétant 35 monolithique et possédant une longûeur totale suivant l'axe Ox égale à LL, FEUILLE MODIFIÉE.
ed at the EPO on JuI 18, 200814:03:32. Page 8 of 15 .~. .
Tr..ar..Ç ._.::n;w,.r..r.:::. rF3>~<?;~:2=.
.
PCT J EP 2 00 7/ 063 2 f ~
une zone centrale de la lame étant définie par une longueur supérieure ou égale à 15% de la longueur totale LL dentrée autour d'un centre géométrique C de la (ame , caractérisé en ce qu'une section SM de la lame )(suivant le plan M,y,z p4ssède une inertie par rapport à l'axe Oz qui a une valeur variable en fonction de la position M et en ce que, pour des points M
positionnés dans la zone centrale de la lame X la section SM possède une inertie par rapport à l'axe Oz qui a une valeur supérieure à une moyenne des inerties par rapport à I'axe Oz des sections SM de la lamex pour tous les points appartenant à la lame .
t D Selon une variante de l'invention, la lame de guidage est: composée par une succession d'un . premier tronçorr charnière, de forme sensiblement parafiéfépipéciitiue qui possède une épaisseur suivant l'axè Oz égale à h, une longueur suivant l'axe Ox égale à l, et une largeur suivant l'axe Oy égale a:L;
~ d'un. tronçon centrat qui possède une épaisseur suivant i'axe Oz.
égale à h, une longueur suivant l'axe Ox égals à, it, ét une largeur suivant l'axe' 4y égale à Lt;
-, d'uo deuxième tronçon., 'charnière de forme. sensiblement 2o pârallétépipëdique qui, possède une. épaisseur suivanfi l'axe Oz, égale à
h, une, longueur suivant l'axé Ox égale à.l2, et une- largeur sûivant- l'axe Oy égale à L.
Selon une variante de l'invention, le râppôm entre la largeur.,Lx dû
tronçon central suivant l'axe Oy et la largeur L du premier tronçon charnièré, et/ou celle du deuxième tronçon charnière est d'au moins 5ï .
Selon une variante de l'invention, la. largeur.L, est de l'ordre dé. 40 ..microns, la iargeur L étant de l'ordre de 5. microns.
Selon une variarite .de l'jnvention, il existe environ un ordre de grandeur entre la somme des fongueurs des tronçons et la. longueur des 30 premier et second tronçons charnière.
Selon une variante de.l'invéntion, la longueur des premier et second tronçons est de l'ordre de 80 microns, la somme des longueurs des tronçons étant de l'ordre de 1000 microns.
FEUILLE MODIFIÉE .
ed at the EPO on Jui 18, 2008 14:03:32. Page 9 of 15 ~
;:::a:.:Fa 0141484501 S PI
PCT/EP 2007/063 2Ã~.~~~07~~b`~
Un prémier avantage de la tame de guidage selon l'invenlion tient en ce qu'eNe supporte sans flamber une accélération suivant. l'axe pouvant dépasser 20000 g.
s Un deuxième avantage de la lame de guidage selon l'invention tient dans ce qu'elle comporte des tronçons, charnières qui ont une largeur minimale atteignable avec les technologies d'usinage actuelle et en ce qu'elle possède une longueur totale qui est supérieure à la longueur maximate que ces technologies d'usinage autorisent avec cette largeur tA minimale. Ainsi, paûr une longueur totale de lame égale à celle d'une lame de l'art antérieur, une Eame selon l'invention supporte; sans flamber, une accélération suivant l'axe Ox, qui est supérieure d'un rapport de f'ordre de quinze à celle supportée par une lame. l'art antérieur au. prix d'un surcroît de rappel élastique toujours suivant l'axe Oy qui; reste limité à moins de deux 15 fois celui d'une lame de l'art antérieur de même longueur totale.
Un troisième avantage de la lame de guidage selon l'invention permet d'étiminer, le surcroît. de . rappel élastiqué lorsque l'encombrernent dévolu à la lame Ie. permet, én effet la valeur d'un coefficient dè -raideur suivant f`axe Oy ky d'une {a.me se(on l'invention est réduite par allongement la.
2o lame. Par exemple, la valeur d'un coefficient dé raideur suivant l'axe (7y:
k,, d'une fame selon I'invention' ayant une tongueur de l'ordre, de 1000-micrdrnétres; comportent des trcinçons chamiëres de ldngueur de l'ordre de 80 micromètres est du m.ême ordre de grandeur que, celle d'une lame de l'art antérieur de longueur 700 micromètres:
25L'invention concerné, également un système étectromécan'rque micrô-usiné dans une plaque d'épaisseur h formant un plan O,x,y, fe système électromécanique comportant. une basé et au moins une cellule de mesure comprenant une masse d'épréûve)Mreliée à fa t7ase par au moins une lame de guidageXde la masse d'épréuve*selon l'invention, caractérisé en ce 3o que le système est monolithique.
D'autres caractéristiques ét avantages de l'invention apparaitront à la lecture de !ai description détailEée. qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
FEUILLE MODIFIÉE
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~l ..............:,.:.:.,:.:.:.::::,:. :.. -71d1484501 ::>::<:::>:>:::>:<:>:
PCT/EP 2007J063 2ffl1'3Q~~Q~.~:'1 la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une structure de cellule de mesure d'un accéléromètre, dans laquelle la masse d'épreuve est relié à une base par deux lames de guidage ;
la figure 2, déjà décrite, représente une vue de dessus d'une lame.
5. de guidage de 1'art antérieur ;
la figure 3 représente une vue perspective d'un mode de réalisation d'une lame de guidage selon l'invention.;
la figure 4 représente une vue de dessus du. mode de réalisation d'une lame de -guidage selon l'invention ;
D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.
La. figure 3 représente une vue perspective d'un mode de réalisation d'une lame de guidage selon l'invention. Cette lame 8, est usinée.
15 dans un substrat d'épaisseur constante, fait partie d'une structure monolithique et elle est composée par une succession d'un prernier tronçon charnière, de forme . sensiblement parallélépipédique qui possède une épaisseur suivant l'axe Oz égale a h, uné longueur suivant l'axe Ox égale à l, et une largeur suivant l'axé Oy égale 20 àL:
- d'un tronçon central qui, possede une épaisseur suivant l'axe Oz égale à h, une longueur suivant l'axe Ox égale à 1r, et une. iargeur suivant l'axe Oy égale à L.R;
- d'un deuxième tronçon charnière de forme sensiblement 25 . paraflélépipédique qui posséde. une épaisseur suivant l'axe Oz égale à h, :
une lôngueur suivant l'axe Ox égale à 12r et'une largeur suivant l'axe Oy égaJp à- L.
En outre, la lame de guidage 8 comporte deux, ancrages disposés sur deux extrémités de la lame : un premier ancrage est intégré à la masse .30 d'épreuve 1, un deuxième ancrage est intégré à lâ base.
-Par exemple, h est égal à 60 micromètres, }l et 12 sont égales à 80 micromètres, L est égal à 5 hicromètres,~est égaJ à 40 micromètres et est.
égal à 660 ntiicromètres.
En résumé, la lame de guidage 8 selon l'invention comporte, un 35 premier et un deuxième tronçon charnière qui ont chacun (a iargeur minimale FEUILLE MODIFIÉE
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... :: r ;
PCT/EP 2007/063 2t_~f~~13~7Qit~fr7~t v qu'il est possible d'atteindre avec les technoiogies. d'usinage. du silicium disponibles, soit de l'ordre de 5 micrométres.
La lame de guidage possède, en outre, une longueur totale LL qui vaut environ 7e*micromètres mais qui peut être supérieure à la longueur maximale que ces mêmes technologies d'ûsinage perme#tent d'atteindre pour une pièce ayant cette largeur minirttaie suivant !'axe Oy.
Avantageusement, l'axe Ox et l'axe Oy sont orthogonaux.
Avantageusement, la fargeur Lt du tronçon central est supérieure à ia largeur. L du premier tronçon charnière et du deuxième tronçon 1o charnière.
Lorsque la structure subit une accéfération suivant l'axe Oy, la lame de guidage se déforme légèrement en flexion double, le premier tronçon charnlère et le deuxième tronçon charnière àyant chacun une courbure de signe opposë. L'invention consiste à rigidifier ia larne à
proximité du centre géométrique C de la iame; c'est à dire à augmenter.
l'inertie de. la lame dans une zone centrate, centrée autour du centre géométrique C.
La charge critique de flambage est ainsi considérablement.accrue (multipliée par environ 18); grâce à l'accroissement de l'épaisseur de la partie 2o centrale d'une part et au raccourcissement des tronçons de faible épaisseur restant en place à chaque extrémité d'autre pait.
Une 'poutra telle que celle illustrée sur ia figure 3 possède une souplesse certaine dans la direction Y, malgré la faible longueur des tronçons amincis d'extrémité, parce que ces tronçons sont les zones .les plus sollicitées dans une translation de la masse d'épreuve dans ia direction Y.
Cette souplesse n'est pas tout à,fait aussi importante que pour une poutre unifnrmément fine sur toute sa longueur (elle est amoindrie- d'un facteur> de i'ordre de - 1.8. pour les valeurs citées). On peut éventuellement compenser cette perte de souplesse en allongeant la partie épaisse de la poutre de 3o section variable. La déformation coopérative en flexion des extrémités permet alors de retrouver la souplesse initiale au guidage réalisé.
Dans le cas où l'encombrement n'est pas limité, le choix d'une configuration semblable à celle de la figure 3 permet de multiplier la charge critique de flambage par un facteur de l'ordre de 20, en conservant la même FEUILLE MODIFIÉE ed at thé EPO on Jul 18, 2008 14:03:32. Page 12 of 15 : _..~~.:, ..............>.................
souplesse dans la direction Y, au prix d'un accroissement de la longueur totale de la poutre de guidage de l'ordre de 30 %.
Pour le mode de réalisation de la lame présenté sur les figures 3 5 et 4, une augmentation de l'inertie consiste à doter le tronçon central de la lame d'une largeur Lt suivant l'axe Oy qui est supérieure à la largeur L du premier et du deuxième tronçon charnière.
Le surcroît de masse apporté par cet élargissement du tronçon central peut être réduit par des perçages judicieusement placés dans le 1 o tronçon central.
Avantageusement, la zone centrale de la lame comporte des perçages.
Avantageusement, la lame de guidage selon l'invention est symétrique par rapport à un axe parallèle à l'axe Oy et passant par le centre géométrique C de la lame..
Avantageusement, des premiers congés de rayon R1 raccordent le premier tronçon charnière et le tronçon central et en ce que des deuxièmes congés de rayon R2 raccordent le deuxième tronçon charnière et le tronçon central.
Avantageusement, le système électromécanique micro-usiné est un accéléromètre résonnant.
Avantageusement, le système électromécanique micro-usiné est un gyromètre vibrant.
la figure 3 représente une vue perspective d'un mode de réalisation d'une lame de guidage selon l'invention.;
la figure 4 représente une vue de dessus du. mode de réalisation d'une lame de -guidage selon l'invention ;
D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.
La. figure 3 représente une vue perspective d'un mode de réalisation d'une lame de guidage selon l'invention. Cette lame 8, est usinée.
15 dans un substrat d'épaisseur constante, fait partie d'une structure monolithique et elle est composée par une succession d'un prernier tronçon charnière, de forme . sensiblement parallélépipédique qui possède une épaisseur suivant l'axe Oz égale a h, uné longueur suivant l'axe Ox égale à l, et une largeur suivant l'axé Oy égale 20 àL:
- d'un tronçon central qui, possede une épaisseur suivant l'axe Oz égale à h, une longueur suivant l'axe Ox égale à 1r, et une. iargeur suivant l'axe Oy égale à L.R;
- d'un deuxième tronçon charnière de forme sensiblement 25 . paraflélépipédique qui posséde. une épaisseur suivant l'axe Oz égale à h, :
une lôngueur suivant l'axe Ox égale à 12r et'une largeur suivant l'axe Oy égaJp à- L.
En outre, la lame de guidage 8 comporte deux, ancrages disposés sur deux extrémités de la lame : un premier ancrage est intégré à la masse .30 d'épreuve 1, un deuxième ancrage est intégré à lâ base.
-Par exemple, h est égal à 60 micromètres, }l et 12 sont égales à 80 micromètres, L est égal à 5 hicromètres,~est égaJ à 40 micromètres et est.
égal à 660 ntiicromètres.
En résumé, la lame de guidage 8 selon l'invention comporte, un 35 premier et un deuxième tronçon charnière qui ont chacun (a iargeur minimale FEUILLE MODIFIÉE
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PCT/EP 2007/063 2t_~f~~13~7Qit~fr7~t v qu'il est possible d'atteindre avec les technoiogies. d'usinage. du silicium disponibles, soit de l'ordre de 5 micrométres.
La lame de guidage possède, en outre, une longueur totale LL qui vaut environ 7e*micromètres mais qui peut être supérieure à la longueur maximale que ces mêmes technologies d'ûsinage perme#tent d'atteindre pour une pièce ayant cette largeur minirttaie suivant !'axe Oy.
Avantageusement, l'axe Ox et l'axe Oy sont orthogonaux.
Avantageusement, la fargeur Lt du tronçon central est supérieure à ia largeur. L du premier tronçon charnière et du deuxième tronçon 1o charnière.
Lorsque la structure subit une accéfération suivant l'axe Oy, la lame de guidage se déforme légèrement en flexion double, le premier tronçon charnlère et le deuxième tronçon charnière àyant chacun une courbure de signe opposë. L'invention consiste à rigidifier ia larne à
proximité du centre géométrique C de la iame; c'est à dire à augmenter.
l'inertie de. la lame dans une zone centrate, centrée autour du centre géométrique C.
La charge critique de flambage est ainsi considérablement.accrue (multipliée par environ 18); grâce à l'accroissement de l'épaisseur de la partie 2o centrale d'une part et au raccourcissement des tronçons de faible épaisseur restant en place à chaque extrémité d'autre pait.
Une 'poutra telle que celle illustrée sur ia figure 3 possède une souplesse certaine dans la direction Y, malgré la faible longueur des tronçons amincis d'extrémité, parce que ces tronçons sont les zones .les plus sollicitées dans une translation de la masse d'épreuve dans ia direction Y.
Cette souplesse n'est pas tout à,fait aussi importante que pour une poutre unifnrmément fine sur toute sa longueur (elle est amoindrie- d'un facteur> de i'ordre de - 1.8. pour les valeurs citées). On peut éventuellement compenser cette perte de souplesse en allongeant la partie épaisse de la poutre de 3o section variable. La déformation coopérative en flexion des extrémités permet alors de retrouver la souplesse initiale au guidage réalisé.
Dans le cas où l'encombrement n'est pas limité, le choix d'une configuration semblable à celle de la figure 3 permet de multiplier la charge critique de flambage par un facteur de l'ordre de 20, en conservant la même FEUILLE MODIFIÉE ed at thé EPO on Jul 18, 2008 14:03:32. Page 12 of 15 : _..~~.:, ..............>.................
souplesse dans la direction Y, au prix d'un accroissement de la longueur totale de la poutre de guidage de l'ordre de 30 %.
Pour le mode de réalisation de la lame présenté sur les figures 3 5 et 4, une augmentation de l'inertie consiste à doter le tronçon central de la lame d'une largeur Lt suivant l'axe Oy qui est supérieure à la largeur L du premier et du deuxième tronçon charnière.
Le surcroît de masse apporté par cet élargissement du tronçon central peut être réduit par des perçages judicieusement placés dans le 1 o tronçon central.
Avantageusement, la zone centrale de la lame comporte des perçages.
Avantageusement, la lame de guidage selon l'invention est symétrique par rapport à un axe parallèle à l'axe Oy et passant par le centre géométrique C de la lame..
Avantageusement, des premiers congés de rayon R1 raccordent le premier tronçon charnière et le tronçon central et en ce que des deuxièmes congés de rayon R2 raccordent le deuxième tronçon charnière et le tronçon central.
Avantageusement, le système électromécanique micro-usiné est un accéléromètre résonnant.
Avantageusement, le système électromécanique micro-usiné est un gyromètre vibrant.
Claims (8)
1 REVENDICATIONS
1. Lame de guidage d'une masse d'épreuve mobile (1) d'un système électromécanique micro-usiné dans une plaque d'épaisseur h formant un plan O,x,y, le système électromécanique comportant une base et au moins une cellule de mesure permettant de mesurer des efforts agissant sur une masse d'épreuve (1) dans la direction Oy, ladite masse d'épreuve (1) étant susceptible de se déplacer en translation dans la direction Oy, et reliée à la base par au moins une lame de guidage (8), ladite lame étant disposée parallèlement à un axe Ox orthogonal à l'axe Oy et reliée à une partie (9) fixée à la base, ladite lame (8) étant monolithique et limitant un déplacement de ladite masse d'épreuve (1) dans la direction Ox par déformation de ladite lame en traction ou en compression selon cette direction, caractérisée en ce qu'elle comporte, à proximité de chacune de ses extrémités, un tronçon charnière d'épaisseur réduite dans la direction Oy permettant de limiter la raideur rencontrée par la masse d'épreuve se déplaçant dans la direction Oy par déformation coopérative en flexion double desdits tronçons charnières dans la direction Oy de mesure de la force d'inertie, lesdits tronçons d'épaisseur réduite L entourant un tronçon central d'épaisseur L t supérieure, dans la direction Oy conférant à la poutre de guldage une charge critique de flambage.
accrue d'un ordre de grandeur au moins dans la direction Ox, tout en lui conservant une souplesse du même ordre de grandeur dans la.
direction Oy.
1. Lame de guidage d'une masse d'épreuve mobile (1) d'un système électromécanique micro-usiné dans une plaque d'épaisseur h formant un plan O,x,y, le système électromécanique comportant une base et au moins une cellule de mesure permettant de mesurer des efforts agissant sur une masse d'épreuve (1) dans la direction Oy, ladite masse d'épreuve (1) étant susceptible de se déplacer en translation dans la direction Oy, et reliée à la base par au moins une lame de guidage (8), ladite lame étant disposée parallèlement à un axe Ox orthogonal à l'axe Oy et reliée à une partie (9) fixée à la base, ladite lame (8) étant monolithique et limitant un déplacement de ladite masse d'épreuve (1) dans la direction Ox par déformation de ladite lame en traction ou en compression selon cette direction, caractérisée en ce qu'elle comporte, à proximité de chacune de ses extrémités, un tronçon charnière d'épaisseur réduite dans la direction Oy permettant de limiter la raideur rencontrée par la masse d'épreuve se déplaçant dans la direction Oy par déformation coopérative en flexion double desdits tronçons charnières dans la direction Oy de mesure de la force d'inertie, lesdits tronçons d'épaisseur réduite L entourant un tronçon central d'épaisseur L t supérieure, dans la direction Oy conférant à la poutre de guldage une charge critique de flambage.
accrue d'un ordre de grandeur au moins dans la direction Ox, tout en lui conservant une souplesse du même ordre de grandeur dans la.
direction Oy.
2. Lame de guidage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la zone centrale de la lame comporte des perçages.
3. Lame de guidage selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle est symétrique par rapport à un axe parallèle à l'axe Oy et passant par un centre géométrique C de ladite lame.
4. Lame de guidage selon la revendication 3, caractérisée en ce que le tronçon central comporte des perçages.
5. Lame de guidage, selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que des premiers congés de rayon R1 raccordent le premier tronçon charnière et le tronçon central et en ce que des deuxièmes congés de rayon R2 raccordent le deuxième tronçon charnière et le tronçon central.
6. Système électromécanique micro-usiné dans une plaque d'épaisseur h formant un plan O,x,y, le système électromécanique comportant une base et au moins une cellule de mesure comprenant une masse d'épreuve (1) reliée à la base par au moins une lame de guidage (8) de la masse d'épreuve (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le système est monolithique.
7. Système électromécanique micro-usiné, selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est un accéléromètre résonnant.
8. Système électromécanique micro-usiné selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il est un gyromètre vibrant.
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| MKLA | Lapsed |
Effective date: 20191204 |